5. Fachtagung Biogas 2010 Gärprodukte aus Biogasanlagen in der pflanzenbaulichen Verwertung Potenziale und Perspektiven Verena Wragge 1, Frank Ellmer 2, Gabriela Bermejo 2, Karen Sensel 1, Kerstin Nielsen 1 1) Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte an der Humboldt-Universität zu Berlin (IASP) 2) Humboldt-Universität zu Berlin, Landwirtschaftlich-Gärtnerische Fakultät, Fachgebiet Acker- und Pflanzenbau 20. Oktober 2010, Potsdam
Gliederung 1 Einführung 2 Stoffliche Zusammensetzung von Gärprodukten 3 Düngewirkung von Gärprodukten 4 Humusreproduktion von Gärprodukten 6 Perspektiven für die Nutzung von Gärprodukten
Einführung In Deutschland fallen nach Schätzungen pro Jahr ca. 35 Mio Tonnen Gärprodukte an Diese werden in der Regel als Dünger verwertet Insbesondere in Biogas-Betrieben machen Gärprodukte den größten Anteil der Dünger aus
Einführung CO 2 der Luft Bodenatmung Abgas aus Verbrennung Pflanzen Wurzelmasse Durch Düngung mit Gärprodukten können Nährstoffkreisläufe generiert und verbessert werden Nährstoffkreislauf Biogasanlage Boden Kohlenstoffkreislauf Durch die Rückführung organischer Primärsubstanz mit Gärprodukten in den Boden kann unmittelbar zur Humusreproduktion beigetragen werden Gärprodukte
Einführung Um Gärprodukte als Dünger einzusetzen, muss der Landwirt wissen wie die Nährstoffzusammensetzung der Gärprodukte ist wie die Nährstoffwirkungen im Anwendungsjahr und wie hoch die Nährstoffnachlieferungen in den Folgejahren sind Wie hoch die Humusreproduktionsleistung der Gärprodukte ist Untersuchungen zu diesen Fragestellungen werden am Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte zusammen mit der HU Berlin seit dem Jahr 2003 durchgeführt
Stoffliche Zusammensetzung von Gärprodukten
Stoffliche Zusammensetzung von Gärprodukten Beispiel 1: Vergleich von Gärprodukten aus Mono- und Kofermentationsanlagen Parameter Anlage A Anlage B Anlage C Verfahren Nassfermentation Nassfermentation Nassfermentation Gärbehälter Fermenter, Nachgärer, Endlager (geschlossen) Fermenter, Nachgärer, Endlager (offen) Fermenter, Endlager (offen) Beschickung kontinuierlich kontinuierlich kontinuierlich Substrate Prozesstemperatur Maissilage, Roggen-GPS Maissilage, Grassilage, Kartoffeln, Getreideschrot, wenig Festmist Maissilage, Rindergülle mesophil (38 C) mesophil (38 C) mesophil (38 C)
Stoffliche Zusammensetzung von Gärprodukten Beispiel 1: Vergleich von Gärprodukten aus Mono- und Kofermentationsanlagen Parameter Gärprodukt A (Monofermentation) Gärprodukt B (Monofermentation) Gärprodukt C (Kofermentation) TS [%] 7,0 8,4 5,0 ots [% i. TS] 79,1 73,6 71,8 N ges [g kg -1 FM] 5,1 3,8 2,7 NH 4+ -N [g kg -1 FM] 4,1 1,9 2,1 P [g kg -1 FM] 1,0 0,6 0,6 K [g kg -1 FM] 3,8 4,2 3,2
Stoffliche Zusammensetzung von Gärprodukten Beispiel 2: Vergleich von Gärprodukten aus der Nass- und der Trockenfermentation Anlage A Anlage B Parameter Verfahren Nassfermentation Trockenfermentation Gärbehälter Fermenter, 2 Nachgärer, Endlager 8 Container, Gärrestlager offen Beschickung kontinuierlich diskontinuierlich Substrate Rindergülle, Grassilage, Maissilage, Hirse Maissilage, zeitweise Luzerne Prozesstemperatur mesophil (38 C) mesophil (38 C) Verweilzeit [d] Durchschnittlicher Biogasertrag [m 3 t -1 ots] 42,5 ohne Endlager, 69,7 inkl. Endlager 560 530 32 bzw. 24
Stoffliche Zusammensetzung von Gärprodukten Beispiel 2: Vergleich von Gärprodukten aus der Nass- und der Trockenfermentation Parameter Gärprodukt A (Nassfermentation) Gärprodukt B (Trockenfermentation) TS [%] 8,0 15,0 ots [% i. TS] 70,8 76,4 N ges [g kg -1 FM] 4,5 6,5 NH 4+ -N [g kg -1 FM] 2,3 2,6 P [g kg -1 FM] 0,7 0,5 K [g kg -1 FM] 3,6 3,3
Stoffliche Zusammensetzung von Gärprodukten Fazit Die stoffliche Zusammensetzung von Gärprodukten kann in Abhängigkeit von den eingesetzten Substraten, den Prozessbedingungen (Trocken-/Nassfermentation, Verweilzeit, Prozesstemperatur, etc.) sowie den Lagerbedingungen sehr stark schwanken. Regelmäßige Untersuchungen der Gärprodukte sind für den Landwirt wichtig.
Düngewirkung von Gärprodukten
Düngewirkung von Gärprodukten Beispiel 1: Parzellenfeldversuch in Berlin-Dahlem mit Sorghum bicolor
Düngewirkung von Gärprodukten Versuchsaufbau Boden Bodentyp: Braunerde-Fahlerde Bodenart: schwach schluffiger bis mittel lehmiger Sand Prüfpflanze Sorghum bicolor var. sudanense, Sorte Lussi Versuchsanlage Einfaktorielle Blockanlage 4. Wdh. 2 6 4 5 1 3 3. Wdh. 6 5 2 3 4 1 2. Wdh. 4 3 1 6 2 5 1. Wdh. 1 2 3 4 5 6 Prüfglieder: 1) Kontrolle 2) Mineraldünger (KAS) 3) Gärprodukt flüssig 4) Gärprodukt fest 5) Rindergülle 6) Stallmist N-Aufwandmenge: 120 kg ha -1 N
Trockenmasse (dt ha -1 ) Düngewirkung von Gärprodukten Ergebnisse: Sorghum-Erträge (TM) im Jahr 2009 in Abhängigkeit von der Düngerart 200 180 160 140 70 % a b 77 % 81 % 90 % 74 % ab ab ab a Prozent der MD-Variante 120 100 80 + 43 % + 10 % + 16 % + 28 % + 5 % Ertragssteigerung gegenüber Kontrolle 60 40 20 0 113 162 124 131 145 119 Kontrolle Mineral MD GRS GP flüssig GRS GP fest Gülle Stallmist Prüfglieder *Mittelwerte und Standardfehler. Tukey-Test α: 0,05 %
Düngewirkung von Gärprodukten Beispiel 2: Praxisversuche am Standort Trebbin mit Winterraps
Düngewirkung von Gärprodukten Versuchsaufbau Boden Bodenart: stark schluffiger Sand Prüfpflanze Winterraps Versuchsanlage Einfaktorielle Streifenanlage Darin fünf Beprobungsflächen á 1 m 2 Verschiedene Düngervarianten Prüfglieder: GP 1 GP 2 Kontr. MD 3 MD 4 MD 1 MD 2 Variante Herbstgabe Frühjahrsgabe Gesamt -N kg ha -1 N Dünger kg ha -1 N Dünger Kontrolle 0-0 - 0 GP 1 40 GP 80 MD 120 GP 2 80 GP 80 MD 160 MD 1 40 MD 80 MD 120 MD 2 80 MD 80 MD 160 MD 3 0-120 MD 120 MD 4 0-160 MD 160
Samenertrag (dt ha -1 ) Düngewirkung von Gärprodukten Ergebnisse: Winterraps-Samenerträge (bei 91 % TS) im Jahr 2009 in Abhängigkeit von der Düngervariante 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 18,7 36,4 38,9 24,4 Kontrolle GRS 1 GRS 2 MD 1 MD 2 MD 3 MD 4 32,3 24,3 26,8 + 95 % + 108 % + 31 % + 73 % + 30 % + 43 % Kontrolle GP 1 GP 2 MD 1 MD 2 MD 3 MD 4 Ertragssteigerung gegenüber Kontrolle Prüfglieder Variante Herbstgabe Frühjahrsgabe Gesamt-N kg ha -1 N Dünger kg ha -1 N Dünger Kontrolle 0-0 - 0 GP 1 40 GP 80 MD 120 *Mittelwerte und Standardfehler GP 2 80 GP 80 MD 160 MD 1 40 MD 80 MD 120 MD 2 80 MD 80 MD 160 MD 3 0-120 MD 120 MD 4 0-160 MD 160
Düngewirkung von Gärprodukten Fazit Bei Sorghum wurden durch die Gärprodukte zwischen 77 und 81 % der Erträge der mineralisch gedüngten Variante erreicht. Eine kombinierte Nährstoffversorgung aus Gärprodukten mit einer mineralischen Ergänzungsdüngung erbrachte in Winterraps die besten Erträge. Gärprodukte können somit Mineraldünger zum Teil substituieren.
Humusreproduktion von Gärprodukten
Humusreproduktion von Gärprodukten
Humusreproduktion von Gärprodukten Humusbilanz bei Anbau von Silomais und Rückführung der Gärprodukte (kg ha -1 Humus-C) Abbau Zufuhr mit 25 t ha -1 Gärprodukt Bilanz -560 +250-310 Nach VDLUFA-Standpunkt Methode zur Beurteilung und Bemessung der Humusversorgung von Ackerland : Gärprodukt mit 8 % TS = 10 kg ha -1 Humus-C je t Substrat
Humusreproduktion von Gärprodukten Humusbilanz einer Biomassefruchtfolge am Standort Thyrow / TF Fruchtfolge Bedarf / Zufuhr kg ha -1 Silomais (35 t FM ha -1 ) Triticale-GPS (22 t FM ha -1 ) Roggen-GPS (22 t FM ha -1 ) Humus-C Gärprodukt t ha -1 FM Organische Düngung Faktor kg Humus-C je t Substrat Zufuhr kg ha -1 Humus-C Bilanz kg ha -1 Humus-C -560 25 10 +250-310 -280 17 10 +170-110 -280 17 10 +170-110 Bilanz FF -1120 +590-530 Bilanz je ha -373 +196-177 Gesamte Biomasse nach Silierung vollständig in Biogasanlage; Gärrestmenge vollständig in Ackerbau zurück; Silierverluste: 12%; Vergärungsgrad: 80%
Humusreproduktion von Gärprodukten Aerobe Inkubationsversuche mit verschiedenen Dünger-Boden-Gemischen Ansatz Respirometer (Respicond, Nordgren Innovations, Sveden) Messprinzip: Konduktometrie 100 Tage Versuchsdauer bei 22 1 C 3 Wiederholungen je Variante Je 50 g Boden gemischt mit entsprechender Düngermenge (0,11 mg Stickstoff je g Boden) Dünger Gärprodukt aus Nassfermentation Gärprodukt aus Trockenfermentation Rindergülle Festmist
Humusreproduktion von Gärprodukten Aerobe Inkubationsversuche mit verschiedenen Dünger-Boden-Gemischen Rindergülle anfänglich höchster mineralisierter C-Anteil, lässt jedoch nach < 20 Tagen nach, 48 % des C sind nach 100 Tagen mineralisiert Nach 100 Tagen höchster mineralisierter C-Anteil beim festen Gärprodukt (55 %) Geringster mineralisierter C- Anteil durch Festmist (13 %), gefolgt von flüssigem Gärprodukt mit 22 %
Humusreproduktion von Gärprodukten VDLUFA-Standpunkt Humusbilanzierung, Stand 2004 Bei vergleichbarem TS-Gehalt wird die Humus-Reproduktion von festen Gärprodukten mit der von verrottetem Festmist etwa gleichgesetzt Die Humus-Reproduktion von Rindergülle wird etwa der von flüssigen Gärprodukten gleichgesetzt
Humusreproduktion von Gärprodukten Fazit Bei Fermentation der gesamten Biomasse aus Energiepflanzen-Fruchtfolgen und unmittelbarer Rückführung der Gärprodukte in den Ackerbau ist die Humusreproduktion nach VDLUFA-Bilanzmethode nicht gewährleistet. Dazu sind ausgewogene Fruchtfolgen unverzichtbar. Die Richtwerte der VDLUFA-Methode bedürfen der Überprüfung. Dazu sind langjährige Feldversuche erforderlich.
Perspektiven für die Nutzung von Gärprodukten
Perspektiven für die Nutzung von Gärprodukten Der Anbau von Energiepflanzen sowie die anfallenden Gärprodukte aus Biogasanlagen werden in Deutschland weiter zunehmen. Diese Entwicklungen dürfen nicht zu Lasten des Bodens und der Bodenfruchtbarkeit gehen. Dazu müssen Standort-, Lebensraum-, Filter- und Speicherfunktionen der Böden erhalten bzw. gefördert werden, wobei der Humushaushalt im Mittelpunkt steht. Die Humusreproduktion unterschiedlicher Gärprodukte aus Biogasanlagen ist bislang nicht hinreichend bekannt. Um die Nachhaltigkeit beim Anbau von Energiepflanzen gewährleisten zu können, muss die Aufklärung und Sicherung der Humusreproduktion beim Einsatz von Gärprodukten vorrangiges Ziel sein.
Schlussfolgerungen
Schlussfolgerungen Gärprodukte aus Biogasanlagen sind im landwirtschaftlichen System unmittelbar als Dünger im Pflanzenbau einsetzbar und führen Nährstoffe sowie organische Substanz in den Boden zurück. Damit können Mineraldünger eingespart und zur Humusreproduktion beigetragen werden. Gärprodukte als Düngestoffe ermöglichen relative Erträge zwischen 70 und 80 % der Mineraldüngung. Insbesondere die Kombination von Gärprodukten mit ergänzender Mineralstickstoffdüngung kann empfohlen werden (Beispiel Winterraps). Die Humusreproduktion von Gärprodukten ist bisher nicht ausreichend bekannt und bedarf der vorrangigen Aufklärung. Der Betrieb einer landwirtschaftlichen Biogasanlage sollte nicht abgekoppelt von anderen Betriebszweigen erfolgen, sondern sinnvoll in ein Betriebskonzept integriert werden, in dem sowohl ökonomische als auch ökologische Aspekte gebührend berücksichtigt werden.
VIELEN DANK FÜRS ZUHÖREN
Humusreproduktion von Gärprodukten Humusbilanz der Modellfruchtfolgen am Standort Thyrow / TF b) Martkfruchtfolge Fruchtfolge Bedarf / Zufuhr kg ha -1 Winterraps (29,5 dt ha -1 ) Winterweizen (38,0 dt ha -1 ) Humus-C Art/Menge t ha -1 Organische Düngung Faktor kg Humus-C je t Substrat Zufuhr kg ha -1 Humus-C Bilanz kg ha -1 Humus-C -280 Stroh / 5 80 +400 +120-280 Stroh / 3 80 +240-40 Futtererbsen +160 - - - +160 Winterroggen (44,0 dt ha -1 ) -280 Stroh / 4 80 +320 +40 Bilanz FF -680 +960 +280 Bilanz je ha - 170 + 240 + 70
Humusreproduktion von Gärprodukten Humusbilanz der Modellfruchtfolgen am Standort Thyrow / TF c) Biomasse-Martkfruchtfolge Fruchtfolge Bedarf / Zufuhr kg ha -1 Winterraps (29,5 dt ha -1 ) Winterweizen (38,0 dt ha -1 ) Silomais (350 dt ha -1 ) Winterroggen (44,0 dt ha -1 ) Humus-C Art/Menge t ha -1 Organische Düngung Faktor kg Humus-C je t Substrat Zufuhr kg ha -1 Humus-C Bilanz kg ha -1 Humus-C -280 Stroh / 5 80 +400 +120-280 Stroh / 3 80 +240-40 -560 GP / 25 10 +250-310 -280 Stroh / 4 80 +320 +40 Bilanz FF -1400 +1230-190 Bilanz je ha - 350 + 310-48